极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响

来源：中国科学杂志社

近几十年来，极端气候事件发生频率增加，对陆地生态系统服务功能和人类社会生产生活造成严重影响，碳循环是驱动陆地生态系统变化的关键过程。北京大学城市与环境学院朴世龙教授等以干旱、极端降水、极端高温和极端低温为例，系统总结了极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响。基于已有认识，建议未来关于极端气候事件对碳循环影响的研究应重点关注其长期效应和不同时间尺度上的作用机理，并加强基于多数据、多途径和多尺度的集成研究。该项研究成果发表在《中国科学：地球科学》2019年9期。

 极端气候事件对陆地生态系统碳循环的直接(实线箭头)和间接(虚线箭头)影响

在全球和区域尺度上，干旱被认为是影响当前陆地生态系统碳汇功能的主要胁迫因子之一，植被生产力又是生态系统碳汇功能对干旱响应的关键过程之一。关于干旱对生产力的影响，学术界已有较为深入的研究和认识。地面和卫星观测越来越一致认为极端干旱事件导致温带地区生态系统生产力和碳汇功能降低，但关于干旱对热带植被生长和碳汇功能的影响，目前的研究还存在较大争议。生态系统呼吸（包括植物的自养呼吸和土壤微生物的异养呼吸）是仅次于光合作用的陆地生态系统碳通量。多项研究表明，干旱条件下，水分胁迫导致植物生长受限，从而降低自养呼吸速率；同时，由于植物碳底物的供应减少和微生物分解作用下降，土壤异养呼吸速率也呈降低趋势。干旱除了直接减小生态系统生产力甚至导致树木“水力传导失效”或“碳饥饿”死亡外，还会通过增加病虫害以及火灾等干扰间接影响树木死亡和生态系统碳汇功能。

在气候变暖的背景下，极端降水发生的频率和强度都很可能增加，但有关极端降水对生态系统碳循环影响的研究还比较匮乏。已有研究发现极端降水对生态系统碳循环的影响主要取决于极端降水发生时生态系统的水分条件。另一方面，极端降水常伴随着龙卷风或风暴，以单次降雨强度增大为特征，因此极端降水事件的增多可能会加剧土壤侵蚀，由此加剧土壤有机碳的剥蚀、迁移和沉积过程，从而改变陆地碳源汇的大小和空间分布。

除干旱和极端降水外，20世纪中期以来全球许多地区高温热浪事件频发，且持续时间和强度增加。在极端高温胁迫下，植被光合作用减弱甚至停滞，呼吸作用加强，且呼吸的增加量大于植被生产力的减少量，从而导致生态系统碳汇功能下降。

相对于极端高温，人们对于极端低温事件的关注较少，已有研究表明，植被生长季延长是气候变暖促进北半球植被生长的重要机制，然而生长季初期和末期极端低温事件的增加可能在一定程度上抵消生长季延长对生产力增加的贡献。植被生长期间发生的极端低温会导致植被发育缓慢，而冰冻引起的细胞脱水则会造成植物组织冻害，甚至死亡。

多源数据和多种方法综合研究极端气候事件对陆地生态系统影响的框架图

近年来，尽管科学界在极端气候事件影响生态系统碳循环的表现、范围等方面取得了突破性的进展，但我们对这一复杂问题的认识还存在诸多不足。以下方面是未来研究应该着重关注的焦点问题：(1)提高对极端气候影响碳循环过程的机制认识；(2)了解极端气候影响下生态系统碳循环的长期动态和生态系统功能恢复过程；(3)进一步加强多数据、多方法和多尺度集成研究，提高生态系统碳循环对极端气候事件响应的模型模拟能力。